Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte, ma in stretta relazione con la struttura della materia. Lo stato termico di un corpo può essere descritto tramite la temperatura. La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore) dal corpo più caldo al più freddo.
Il calore (q) è l’energia che viene trasferita da un sistema (si pensi ad un corpo) al suo intorno in conseguenza di una differenza di temperatura. L’energia, sotto forma di calore, da un corpo più caldo, a temperatura più alta, viene trasferita ad uno più freddo, a temperatura minore. Il calore quindi è semplicemente una forma in cui una quantità di energia viene trasferita, scambiata tra un sistema ed il suo intorno (oppure da un corpo ad un altro). L’energia contenuta all’interno di un sistema non è sotto forma di calore o lavoro, ma è definita come energia interna.
Il c. trasmesso a un corpo non si accumula in esso come tale, ma sotto forma di energia interna in quanto il c., avendo significato soltanto come forma di energia in trasferimento, non può essere posseduto dai corpi. Come ogni forma di energia, il c. può trasformarsi in altre forme o originarsi da energia di natura diversa.
Calore vs Temperatura
Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi! La differenza fondamentale tra calore e temperatura è che la temperatura è una grandezza macroscopica fondamentale della fisica.
Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo. La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.
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Misura della temperatura
La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza. I termometri che utilizziamo sono normalmente costituiti da un tubicino (canna termometrica) di vetro che termina con un rigonfiamento (bulbo) riempito di un liquido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo all'interno della canna (secondo il fenomeno della dilatazione termica). Per stabilire la scala di temperatura è necessario stabilire per ogni stato termico il volume di mercurio corrispondente. Vengono scelte perciò due temperature di riferimento, facilmente riproducibili, in modo da poter segnare sulla canna termometrica dei punti fissi.
Nel XVIII secolo l’astronomo svedese Celsius scelse come temperature di riferimento la temperatura del ghiaccio in fusione (posta arbitrariamente pari a 0°C) e la temperatura dell’acqua in ebollizione (posta a 100 °C) dividendo poi l'intervallo in cento parti uguali. Esistono anche altre scala termometriche. Ad esempio nei paesi anglosassoni è comunemente utilizzata la scala Fahreneit. Nella scala Fahrenheit il congelamento dell'acqua avviene a 32°F mentre l'ebollizione avviene a 212°F. In entrambe le scale Celsius e Fahrenheit è possibile scendere sotto gli zero gradi. Anche a temperature inferiori agli zero gradi le molecole di cui è composta la materia continuano a muoversi ed agitarsi finché abbassandosi ancora la temperatura i movimenti non cesseranno del tutto. Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.
Come si misura il calore?
Oggi per misurare il calore si utilizzano i Joule, mentre in passato si usava la caloria (molto piccola, spesso si usa la chilocaloria, kcal). Lo strumento per misurare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo o da una sostanza è il calorimetro. Il calorimetro è costituito da un recipiente isolato termicamente, che contiene una massa nota di acqua della quale si conosce la temperatura.
Si basa sul principio della conservazione dell'energia, che in questo caso significa che tutto il calore assorbito o ceduto dall'acqua contenuta nello strumento resta all'interno dello strumento stesso e di conseguenza viene utilizzata per innalzare la sua temperatura. Mediante un termometro inserito nel calorimetro si misurano le variazioni di temperatura, legate al calore assorbito o ceduto attraverso la relazione:Il calorimetro è usato anche per determinare i calori specifici delle sostanze. In questo caso è costituito da un recipiente R isolato termicamente dall'esterno, un termometro T e un agitatore A. Per misurare il calore specifico di un corpo si immerge nell'acqua (a temperatura ambiente ) il corpo di calore specifico incognito, dopo averlo portato a temperatura si attende che giunga a un nuovo equilibrio termico. L'agitatore A serve per accelerare il raggiungimento dell'equilibrio.
Calorimetro ad acqua
Il calore ceduto dal corpo è stato acquistato in parte dall'acqua e, in piccola parte dal recipiente. La quantità di calore assorbita dal calorimetro di solito viene fornito come dato tecnico dai produttori.
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Infatti, la caloria, cal, è la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 grado la temperatura di 1 grammo d’acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C. C’è una ragione per cui in fisica si precisa l’intervallo di temperatura in cui si verifica l’aumento di 1 grado, 14,5-15,5 °C. Dato che il calore può essere misurato sia in cal che in J, è importante saper convertire calorie in joule, e viceversa.
Qual è la formula per calcolare la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di una sostanza? La formula è q = m × c. spec. × ΔT, dove m è la massa, c. spec. è il calore specifico e ΔT è la variazione di temperatura. Secondo quando precedentemente detto la capacità termica C è uguale alla massa per il calore specifico. La capacità termica dipende dalla sostanza che si sta analizzando e dal suo stato di aggregazione. Riscaldare o raffreddare un corpo per un ΔT implica lo scambio di due quantità identiche di calore. Ciò che cambia è il segno di ΔT. Si applica la formula q = m × c. spec.
Si può ora introdurre il concetto di legge di conservazione dell’energia. Questa legge dice che nelle interazioni di un sistema con il suo interno il quantitativo totale di energia resta costante, non è possibile creare o distruggere energia.
Trasferimento di calore
Nella termodinamica, il calore è considerato come il flusso di energia da un sistema a un altro o all'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura tra di essi. Questo è stabilito dal principio zero della termodinamica: il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.
Abbiamo visto che il trasferimento di calore avviene quando l'energia passa da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vediamo ora i diversi metodi di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento.
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La trasmissione del c. può avvenire per conduzione, per convezione, per irraggiamento: in quest’ultimo modo, che a differenza degli altri due non ha bisogno dell’intermediario di un mezzo materiale, il c. si propaga per onde elettromagnetiche.
Propagazione per conduzione
La conduzione è il trasferimento di energia tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Affinché la conduzione abbia luogo, devono essere soddisfatte alcune condizioni:
- Le due regioni devono avere temperature diverse.
- Gli oggetti o le loro particelle devono essere in contatto tra loro.
La velocità di conduzione del calore in diversi materiali può essere confrontata utilizzando una proprietà chiamata conducibilità termica. La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione.
Propagazione per convezione
La propagazione per convezione avviene nei fluidi, quindi nei liquidi e nei gas, poiché le loro particelle possono muoversi più facilmente e avviene a causa della differenza di densità nel fluido causata dalla differenza di temperatura. La convezione può essere osservata quando l'acqua bolle. I fluidi sono costituiti da particelle che formano strati. Quando l'acqua bolle, queste particelle si muovono a velocità diverse a seconda della loro temperatura. Il fluido più caldo (meno denso) sale in superficie e viene sostituito da acqua più fredda che scende verso il basso.
Propagazione per irraggiamento
L'irraggiamento è il trasferimento di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. In questo metodo di propagazione del calore, non è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro.
La Termodinamica
La termodinamica ha come argomento principale lo studio degli scambi di energia tra il sistema e l'ambiente. Il sistema termodinamico è l'insieme di uno o più corpi di cui non interessa il comportamento del singolo ma solo il comportamento globale. Ad esempio ci interessa la pressione di un gas, non la pressione di ogni singola molecola.
Il sistema termodinamico è caratterizzato dal suo stato termodinamico, descritto dalle coordinate termodinamiche ( le grandezze macroscopiche attraverso le quali si descrivono le proprietà del sistema). Un sistema termodinamico può essere, ad esempio, una quantità di gas.
Sistema, ambiente ed universo
Ricordiamo alcune definizioni di base:
- Universo termodinamico: è costituito dall'ambiente e dal sistema termodinamico (l'oggetto di studio).
- Ambiente esterno: rappresenta la parte di universo che all'infuori del sistema. L'ambiente è separato dal sistema da una superficie di controllo.
- Sistema termodinamico: è l'oggetto di studio localizzato in una parte qualunque dell'universo, è nel sistema che avvengono le trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.
Trasformazioni termodinamiche
- Trasformazione isobara: si ha quando la pressione rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse del volume.
- Trasformazione isocora: si ha quando il volume rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse della pressione.
- Trasformazione isoterma: si ha quando la temperatura rimane costante durante tutto il processo.
Calore di trasformazione
Si chiama c. di trasformazione (o totale), il c. C. latente è la quantità di c. che occorre dare o sottrarre, a seconda dei casi, all’unità di massa di una sostanza per farle cambiare stato (da solido a liquido, da liquido a solido ecc.) dopo che questa abbia raggiunto la temperatura alla quale avviene il cambiamento di stato. La denominazione deriva dal fatto che tale cessione o sottrazione di c. non è rivelata da una variazione di temperatura: la trasformazione è isoterma. Il c. latente non provoca variazioni nell’energia cinetica molecolare, ma corrisponde all’energia necessaria per realizzare il cambiamento dello stato di aggregazione molecolare. I c. latenti relativi a due passaggi di stato inversi sono sempre uguali tra loro e nel seguito si definiscono vari c.
Tipologie di calore di trasformazione
- C. di condensazione (o di liquefazione) Quantità di c. ceduta dall’unità di massa di un vapore saturo nel condensarsi; coincide, a ogni determinata temperatura, con il c.
- C. di cristallizzazione Quantità di c. assorbita o ceduta nel passaggio allo stato cristallino di una mole di una sostanza sciolta in un solvente; coincide, a ogni determinata temperatura, con il c.
- C. di evaporazione Quantità di c.
- C. di formazione Quantità di c. svolta nella combinazione diretta degli elementi per formare una mole del composto considerato. Poiché nei cambiamenti di stato degli elementi o dei composti entrano in gioco i c. di fusione, di vaporizzazione ecc., nell’indicare i c.
- C. di fusione Quantità di c.
- C. di solidificazione Quantità di c. che deve essere sottratta all’unità di massa di una sostanza, portata alla temperatura di solidificazione, per ottenerne la solidificazione. È pari al c. C.
- C. di sublimazione Quantità di c.
- C. totale (o c. di trasformazione) In una trasformazione termodinamica di un corpo, quantità di c. Per il c. di reazione, il c.